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碳封存,是逆天而行的工程神話,還是順應自然的科學奇觀?

本文由第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)能源政策之橋接及溝通小組贊助,泛科學策劃執行。

文:廖英凱(泛科學專欄作者)

Coal_Mine_Carbon_Capture_Technology

Source: wikipedia

碳封存,解決氣候變遷的新藥方?

全球暖化與氣候變遷這項議題,對於當代人類來說,恐怕已經是個迫在眉睫的待解難題了。隨著當代環保意識興起、極端氣候頻率與受害者的增加,多數科學研究成果也指出,近一兩個世紀以來的氣候變遷,主因為人類的工業發展與環境開發。最具代表性的一項研究是聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)2007年發表的第四份報告,報告中指出近150年來所觀察到的全球暖化,非常可能與人類排放的溫室氣體有關[1],為了生存環境的永續,當代各國政府與倡議團體,也都開始積極規劃與鼓吹有效減少大氣中的二氧化碳的方式。

如果盤點我們可用的減碳工具,國際能源總署(International Energy Agency, IEA)指出人類可使用的技術分別為提升能源使用效率;發電過程不排碳的再生能源與核能;以天然氣取代燃煤等的燃料轉換;以及能主動將已經製造出來的二氧化碳減少的碳捕捉與封存技術(Carbon capture and storage, CCS),也預估CCS在持續發展下可達到全球17%的減碳效果[2],IPCC在2014年11月所發表第五次評估報告也指出,若要解決氣候變遷問題,所有火力發電廠在2100年以前都應搭配CCS技術來降低排碳[3];同年12月,歐洲聯盟執行委員會(European Commission)也根據IPCC的報告建議歐盟各成員國應制定具有強制力的CCS的發展目標[4]

而在台灣,自1988年起能源局與工研院就開始進行了各項研究與評估計畫。2011年,由各公私立機關法人也成立了「CCS策略聯盟」[5]來推動各項技術的發展。例如工研院綠能所在台泥花蓮和平水泥場,研發了新型鈣迴路捕獲二氧化碳技術,將二氧化碳固定於水泥之中[6];台電在大林電廠開發電廠微藻養殖實驗系統,利用藻類的光合作用作為碳捕捉的方式來減少火力電廠的排碳[7];中油預計利用苗栗永和山、台電利用彰濱工業區外海的地下鹽水層作為碳封存的場址。然而,近年來,開始備受部分媒體與倡議組織矚目而有諸多誤解與恐懼的,正是最後這一種將二氧化碳存放在地底岩層之中的二氧化碳地質封存技術了。

嶄新的技術還是古老的智慧?

對許多人來說,二氧化碳地質封存技術相當的不符合直觀,似乎如果有個地震或裂縫,氣體不就外洩了嗎?或是如果水往下流到岩層之中,不就把氣體給擠出來了嗎?這樣把氣體的二氧化碳,用固體的岩層給封存起來的技術,聽起來實在有點天方夜譚。但其實,大自然早就用了百萬年以上的時間,為我們證明氣體封存在地底下的可能性了。除了很多家家戶戶會用到的天然氣與近年來相當熱門的頁岩氣以外,世界上也有數百個存在百萬年以上的天然的二氧化碳氣層[8],有一些氣層的二氧化碳純度極高,甚至被開採出來作為化工原物料,以及碳酸汽水中的二氧化碳來源。

天然二氧化碳氣層分布圖

天然二氧化碳氣層分布圖 IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage, 2005

而將二氧化碳注入到地層中,其實也已經應用多年了。在石油工程的領域,科學家們發現油氣層在開採之初,因為地底壓力較大,油氣可以直接噴出地表。但隨著開採而壓力降低,使得油氣的採集變得困難,因而陸續開發了注入水、蒸氣等開採技術。而近年來發現若將二氧化碳注入油氣層中,除了可以封存二氧化碳以外,二氧化碳在溶於原油中,可使原有的體積膨脹、密度與黏度下降、流動性變好更適宜開採,能有效提升油田的壽命與效率[9]

利用二氧化碳開採原油

利用二氧化碳開採原油示意圖 Carbon Dioxide Enhanced Oil Recovery, U.S.D.O.E

除了天然二氧化碳氣礦、石油開採應用以外,世界上也有幾個已商業運轉的地質二氧化碳封存實例,例如挪威外海的Sleipner和Svohvit氣田,以及數個將在近兩年內完工的封存廠,例如加拿大的Quest、美國的Illinois Industrial CCS Project和澳洲的Gorgon[10]都採用海域的鹽水層來達到二氧化碳封存效果。

二氧化碳如何安分於萬千大石之下?

目前發展中的地質碳封存方式,學理上大致可分為三種機制:

(1)封閉構造封存

封閉構造是利用如地層裡有緻密地層剛好彎曲如把碗倒置的「背斜」結構,類似許多傳統石油與天然氣礦藏的構造;或是利用已枯竭油氣田、以及用作加強油氣採收等。以我國的環境來說,苗栗永和山的背斜構造預計可儲存兩百五十萬噸的二氧化碳[11],同樣也位於苗栗的鐵砧山枯竭天然氣礦,目前也被用作天然氣南北調度的儲氣窖,也有機會作為封存二氧化碳的天然廠址。

(2)鹽水層封存

鹽水層封存則是利用在海域深約一公里以上,富含鹽水的地層,這樣的地層上方會有更厚密度也更紮實的阻滯層與蓋層避免氣體外洩[12]。而鹽水層側向雖然開放而沒有像「背斜」構造那樣的封閉,但二氧化碳側向移棲10公里也需要數萬年左右的時間[13]。若能妥善開發能封存二氧化碳數千年以上的岩層,也就能解決本世紀即將面對的氣候變遷難題了。

台灣目前正在評估中的可行地點,則有桃園觀音的桃科園區以及彰濱工業區,是有機會作為未來我國施行鹽水層二氧化碳封存的場域[14]

(3)溶解或礦化封存

在地質封存的過程中,除了將氣體保留在地層中,極少比例的二氧化碳在地層內也能溶於原油、水,或是跟鈣、鎂、鉀等離子反應而礦化成更安定的化合物,也可作為一種長久封存於地底下的方式[15]

地質二氧化碳封存的方式

地質二氧化碳封存的方式: 1. 枯竭油氣礦, 2.提高石油採收率, 3. 鹽水層封存, 4. 無法開採的深煤層, 5. 回收煤層天然氣 6. 其他可行方式(玄武岩、油頁岩、地層內空腔) IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage, 2005

好處都你在說,那大家到底在怕什麼?

儘管碳封存這項技術在國內外已累積了相當的學理研究與商轉經驗,但對國內民眾來說,近年來接觸到的相關資訊似乎沒那麼令人安心。例如蘋果日報曾推出一系列報導,引述了幾位專家和環團意見,認為地震與斷層活動會造成二氧化碳外洩,而可能導致窒息、環境汙染與生態危機,並以西非喀麥隆的二氧化碳噴發災害為例,造成1700人窒息與「燒死」[16][17][18];在全國能源會議的討論,也有學者與政治人物對碳封存持有相當疑慮,認為台灣的地震狀況與海底火山的分布,並不利於碳封存的發展[19]

這些爭議與疑慮,大致上可以聚焦於四個面向來一一釐清:

1. 地震會讓碳封存外洩嗎?

Q17

在報導與許多議題討論的場合,許多人會擔心這種「用大地作為氣體容器」的方式,也會在地震發生時,讓容器破損,封存失效。然而,如果從台灣過去的油氣資源運用來看,我們陸地上天然氣的原始可採蘊藏量為543億立方公尺[20],經過過去五十多年來的開採,截至2014年,大約還有62.29億立方公尺的蘊藏量[21]。這些天然氣礦經歷了百萬年來的地殼變動,承受了相當多次以千百年為約略周期的大地震但仍保有氣體蘊藏的能力,如九二一大地震也主要影響在地表的破壞變形而並未影響地下數千公尺的油氣構造,這代表我們仍可以利用地震帶內的地質封閉構造來達到碳封存的目的。

2. 碳封存會造成地震嗎?

Q18

2005年IPCC針對CCS的特別報告中就有提到碳封存可能會引發小規模地震。2012年我國知名地震學家中央地科馬國鳳教授的研究指出,地底裂縫里的高壓水體會誘發極微小的地震[22];同年,美國學者Zoback的研究也認為碳封存有很高的機會引發小規模地震而導致二氧化碳外洩[23]。綜上所述,碳封存技術確實有可能引發小規模地震,這也取決於碳封存場址的選址條件與儲存強度。美國能源部的國家能源技術實驗室指出,目前尚未觀察到已商轉的碳封存廠址引發地震,但在碳封存廠址的選址、設計和運作上也需要特別關注以確保不會引發地震[24]。在國內的部分,由中央、成大、中正大學針對國內碳封存場址的聯合團隊的研究成果亦表明台灣無論在地域構造或濱海鹽水層都極具二氧化碳封存潛能[25];中央地科系的團隊針對永和山的先導試驗模擬成果也認為,在該地點適當地灌注二氧化碳不致造成斷層重新活動[26]

3. 有什麼狀況會發生外洩,如何避免?

雖然相關研究者多主張在在完整的地質調查、合宜的灌注作業前提下,可確保地質碳封存的安全可靠,但仍有可能在灌注時監測到調查期間未查明的地層破碎帶,或是灌注作業中,二氧化碳從灌注井口溢出。這時需除了仰賴持續監測作業,以確保灌注井一帶員工與居民的安全,也能即時採取封閉作業。而在彰濱工業區的鹽水層封存,更利用了台灣海峽下方的沉積岩地層,因台灣山脈的重壓而使地層在海峽一端傾斜揚升了一到五度,這讓封存後的二氧化碳會往海峽方向移棲更遠離人類活動地區,雖然增加操作成本,但安全性卻能提升。

4. 如果發生外洩?西非喀麥隆的殺人湖是怎麼一回事?

Q21

在提到碳封存的消息時,近年一個常被各媒體提到的災害,則是1986年時,位於西非喀麥隆的尼奧斯湖(Lake Nyos)瞬間噴發了大量的二氧化碳導致當地居民與牲口的大量死亡。1987年,Kling等人的調查結果指出,這個湖泊其實是一個酸性火山口,由於湖底平面深達208公尺且水流平靜,大量的二氧化碳自火山深處慢慢釋放到湖底,再加上湖底溫度較低壓力較高,對二氧化碳的溶解度較高,溶解了二氧化碳的湖水密度也較大,更不易對流擴散到湖面,最終使湖底自然封存大量的二氧化碳。又可能因山崩、洪水等未知原因,導致封存於湖底的二氧化碳因湖水大量擾動使溶解度銳減而大量溢出。估計釋放了至少9億立方公尺的二氧化碳,又聚集在尼奧斯湖所處於盆地內,最終造成1700人窒息而死[27]

用這樣的案例來與地質封存類比其實相當不洽當,地質封存是將二氧化碳存於岩層之中,且有上千公尺的緻密岩層作為蓋層。這些岩層並不會像湖水般會被大幅度的擾動而失去覆蓋效果,導致瞬間大規模噴發;選址時再特別考量前文提到的地層走向,更能讓二氧化碳在移棲外洩時,離人口居住地更遠。

雖然說,國內外已經也相當多以確保人類安全為目標的研究。但關於地質碳封存的生態影響卻鮮少被提及,以較相關的研究來說,有科學家將少量二氧化碳注射到近地表的土壤中,以模擬碳封存洩漏的影響。發現會造成微生物物種與生理的改變,且影響了多種土壤養分代謝[28]。另一種研究方式則是以地底下有自然二氧化碳噴出的樣點,以研究長期存在二氧化碳的環境,發現這種環境下的菌種自然變得偏厭氧和偏酸,土壤的養分循環也與一般環境不同[29]。然而,這些變因仍遠小於其他環境變因的影響(如季節),是否對生態有重大影響尚缺乏較具規模的量化研究。

回想一下我們所面臨的困境,在未來的幾十年內,人類恐怕還是很難脫離油氣資源的使用,然而氣候變遷又已然是個「現在」就要開始著手解決的難題。相較起再生能源與提升能源效率這些減碳的辦法,碳封存這樣的技術與概念的確不太直觀也令人陌生,而相應的環境開發與技術研發也仰賴相當門檻的資金與優秀人才投入。我們確實應該要更審慎地面對這項技術的研發與封存選址的安全考量。這需要仰賴開放的資訊揭露、嚴謹的環境評估,以及決策者、技術者和在地民眾的充分討論與審議。而非任由過多不洽當的類比與未了解事實全貌的論斷佔據了議題討論的空間。希望隨著資訊的釐清,我們的社會能開始負責地討論這「自己的排碳自己存」的重要減碳技術,而對地球環境的永續盡一份心力。

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參考文獻:

「空虛寂寞覺得冷會傳染嗎?」「為什麼人看到可愛的東西就想捏?」「為什麼蚊子喜歡叮穿深色衣服的人?」

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